لماذا تكون خلايا BC الشمسية أكثر عرضة للانحناء والتواء

إجابة سريعة: الخلايا ذات التلامس الخلفي أكثر عرضة للانحناء والتقوس من الخلايا ذات التلامس الأمامي لأن كلا قطبي التلامس يقعان على الجهة الخلفية، لذا يكون حجم المعدنة الخلفية والإجهاد الذي تُحدثه غير متوازنين مقابل الجهة الأمامية. عندما تبرد الخلية بعد عملية الحرق، يتقلص المعدن الخلفي مقابل وجه أمامي غير معدني، وتكون النتيجة تقوسًا يمكن قياسه بأجزاء من المليمتر عبر خلية بحجم 182 mm أو 105 mm. تحدد درجات حرارة المعالجة المعنية — حوالي 110 °C في الخطوات اللاحقة مقابل مرجع محيطي قريب من 22 °C — مقدار التقلص التفاضلي المتراكم. الانحناء مهم لأن الخلية المتقوسة لا تستقر مسطحة على آلة التوصيل أو في الصفيحة، مما ينتج عنه أخطاء في التموضع، وسماكة غير متساوية للمادة التغليفية بعد التصفيح، وفي أسوأ الحالات، شقوق دقيقة عند الوصلة.

تصنيع وحدات PV · بقلم جيري، Ooitech

انحناء والتواء خلايا BC الشمسية

في المنافسة الشديدة بين مسارات تكنولوجيا الطاقة الكهروضوئية، تبرز خلايا BC، أو خلايا الاتصال الخلفي، بتصميمها الفعال والنظيف بصريًا. مع عدم وجود خطوط شبكة معدنية على السطح الأمامي، أصبحت خلايا BC واحدة من أكثر الاتجاهات التكنولوجية متابعة في الصناعة.

خلف هذا المظهر النظيف، تكمن مشكلة تصنيع صعبة: خلايا BC أكثر عرضة بشكل طبيعي للانحناء والتواء.

كما أشار خبراء الصناعة، فإن جميع الأقطاب الكهربائية تقع على الجانب الخلفي، لذا فإن الخلية معرضة بطبيعتها للتشوه. أثناء تجميع الوحدة، تُضاف المزيد من المواد باستمرار إلى الخلف، بما في ذلك اللاصق العازل، و شريط اللحامs، ومعجون اللحام. ومع تراكم هذه الطبقات، قد تتفاقم مشكلة الالتواء بشكل متزايد.

إذن، لماذا تكون خلايا BC أكثر عرضة للانحناء والتواء من الخلايا الشمسية التقليدية؟

1. عدم التماثل الهيكلي يخلق خطر التواء متأصلًا

السمة الأكثر تميزًا لخلية BC هي أن كلا القطبين الموجب والسالب يوضعان على السطح الخلفي. لا توجد خطوط شبكة معدنية على السطح الأمامي. هذا التصميم يحسن امتصاص الضوء، ولكنه يقدم أيضًا ضعفًا هيكليًا متأصلًا.

تشير الأبحاث إلى أن تُظهر خلايا BC التواءً أكبر بكثير من TOPCon الخلايا التي تتوزع أقطابها الكهربائية على السطحين الأمامي والخلفي. في ظل هياكل خلفية مماثلة، يمكن لخطوط الشبكة الأمامية أن تعوض جزئيًا التشوه الناتج عن الانكماش في الخلف.

خلايا BC لا تحتوي على خطوط الشبكة الأمامية هذه. التوتر الناتج غير المتوازن بين الأسطح الأمامية والخلفية يجعل التشوه الأسطواني أكثر احتمالًا أثناء التصنيع والاستخدام.

هذا التباين البنيوي هو في الأساس نتيجة لإجهاد غير متساوٍ. وهو مشابه لطريقة انحناء عباد الشمس نحو ضوء الشمس بسبب اختلاف معدلات النمو في جوانبه المظللة والمضاءة. في خلية BC، يكون إجهاد الانكماش الناتج عن الطبقات المتعددة على الجانب الخلفي أكبر بكثير من الإجهاد على الجانب الأمامي، مما يؤدي بشكل طبيعي إلى انحناء الرقاقة.

2. عدم تطابق التمدد الحراري بين مواد الجانب الخلفي

يجب تطبيق عدة طبقات وظيفية على الجزء الخلفي من خلية BC. بالإضافة إلى الأقطاب المعدنية التقليدية، قد تشمل هذه الطبقات مواد عازلة ومعجون لحام وأشرطة لحام. تعد الاختلافات في معاملات التمدد الحراري بين هذه المواد محركًا رئيسيًا للانحناء.

• فرق التمدد بين المعدن والسيليكون كبير بشكل خاص. يبلغ معامل التمدد الحراري للفضة حوالي سبعة أضعاف معامل التمدد الحراري للسيليكون. أثناء تصنيع الخلايا، يمكن أن يولد هذا الاختلاف إجهادًا حراريًا كبيرًا بين المعدنة الفضية وطبقة السيليكون. قد يصبح الانحناء أكثر شدة بعد طباعة معجون اللحام.

• تلعب المواد العازلة أيضًا دورًا مهمًا. يلزم العزل لفصل الأقطاب الموجبة والسالبة على السطح الخلفي، لكن معامل التمدد الحراري للمادة العازلة يختلف عن معامل التمدد الحراري لرقاقة السيليكون. إذا كانت مساحة التلامس بين العزل والخلية كبيرة جدًا، يزداد استهلاك المواد ويرتفع أيضًا الإجهاد الناتج عن عدم تطابق التمدد الحراري. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تكثيف انحناء الخلية ويؤدي إلى مخاطر في العملية مثل كسر الخلايا والتصاق الخلايا أو تداخلها أثناء المناولة.

3. اللحام أحادي الجانب ينتج إجهادًا ميكانيكيًا غير متوازن

تستخدم وحدات BC عادةً اللحام أحادي الجانب، حيث تتركز جميع أشرطة اللحام على السطح الخلفي. وهذا يختلف جوهريًا عن اللحام التقليدي ثنائي الجانب.

على سبيل المثال، عند تثبيت 21 شريط لحام على خلية بأبعاد 182 مم × 105 مم، يحدث انحناء كبير عندما تنخفض درجة الحرارة من 110 درجة مئوية إلى 22 درجة مئوية. يحدث هذا سواء كانت سماكة الخلية 0.13 مم أو 0.15 مم أو 0.18 مم.

يأتي التشوه بشكل أساسي من الإجهاد الحراري غير المتساوي الناتج أثناء اللحام. إنها مشكلة بنيوية متأصلة مرتبطة بالترابط أحادي الجانب المستخدم في خلايا BC.

الأكثر إثارة للقلق هو أن زيادة سماكة الخلية لا تحل المشكلة بشكل فعال. تُظهر نتائج المحاكاة أن اللحام أحادي الجانب يمكن أن يسبب انحناءًا يصل إلى 4.9 مم. حتى عند زيادة سمك الخلية إلى 0.18 مم، ينخفض الانحناء بنسبة 18% فقط تقريبًا. في ظل نفس الظروف، يكون أقصى انحناء ناتج عن اللحام مزدوج الجانب 0.07 مم فقط.

هذا يعني أن تحقيق مستوى الانحناء للحام مزدوج الجانب من خلال زيادة سماكة الرقاقة فقط يتطلب سماكة تتجاوز بكثير 0.18 مم. وهذا من شأنه أن يزيد بشكل كبير من استهلاك السيليكون وتكاليف المواد.

قد تستمر المشكلة أيضًا إلى مرحلة التصفيح. قد يؤدي الالتواء غير المتماثل الناتج عن اللحام أحادي الجانب إلى ضغط مادة التغليف حول حواف الخلية والمنطقة المركزية. قد تصبح مادة التغليف أرق أو حتى تُثقب، مما يخلق نقاط تركيز إجهاد موضعية تهدد السلامة الهيكلية وموثوقية الوحدة على المدى الطويل.

4. الخلايا الأرق والأكبر تضخم المشكلة

تواصل صناعة الطاقة الكهروضوئية السعي إلى رقائق أرق لتقليل تكاليف السيليكون وتنسيقات خلايا أكبر لزيادة طاقة الوحدة. يمكن أن يؤدي كلا الاتجاهين إلى تفاقم انحناء خلايا BC. تظهر الأبحاث أن تقليل سمك الخلية وزيادة حجم الخلية يزيدان بشكل كبير من التشوه.

بالنسبة لخلية 210 مم × 210 مم، يؤدي تقليل السماكة من 150 ميكرومتر إلى 70 ميكرومتر إلى زيادة الانحناء المبلغ عنه من 1.69 مم إلى 8.25 مم، أي ما يقرب من خمسة أضعاف.

توضح هذه الأرقام بوضوح التحدي الناتج عن ترقيق الرقاقة. بالنسبة لصناعة تسعى إلى تحقيق كفاءة أعلى وتكاليف أقل، أصبح التحكم في الالتواء مع تقليل سمك السيليكون حاجزًا تقنيًا يجب معالجته.

6. استراتيجيات التخفيف في الصناعة والتوقعات المستقبلية

تستكشف الصناعة بالفعل عدة طرق لإدارة التواء خلايا BC. تشمل الأساليب الشائعة:

• تصميمات الوحدات نصف الخلية: يمكن أن تقلل أبعاد الخلايا الأصغر من ارتفاع الانحناء المطلق.

• مواد وعروض خطوط الشبكة المحسّنة: يمكن أن يساعد تعديل هياكل المعدنة في إدارة الإجهاد على الجانب الخلفي.

• اللحام بدرجة حرارة منخفضة: يمكن أن تقلل درجات حرارة المعالجة المنخفضة من الإجهاد الحراري أثناء التوصيل البيني.

• الضغط الساخن بمادة لاصقة موصلة: يوفر هذا بديلاً لعمليات اللحام التقليدية ذات درجات الحرارة العالية.

• آليات تصحيح كتلة الضغط المنحنية: يمكن دمج هياكل تصحيح خاصة في معدات اللحام والتجميع للتحكم في شكل الخلية أثناء المعالجة.

التوصيل البيني بشريط اللحام منخفض الحرارة

المراجع

• دونغ بينغ، بحث حول عمليات الخلايا الشمسية الخلفية عالية الكفاءة من النوع N

• MeCan Solar، سلوك الالتواء وتحسين هيكل خط الشبكة للخلايا BC الرقيقة كبيرة الحجم

• مراجعة الطاقة الشمسية وتخزين الطاقة، المظهر الجذاب للحام أحادي الجانب لا يمكن أن يخفي الالتواء ومخاطره المرتبطة به

رؤية Ooitech

يجب التعامل مع التحكم في الالتواء كقضية عملية وحدة متكاملة، وليس مجرد مشكلة سمك الخلية. يجب ضبط درجة حرارة اللحام، وتخطيط الشريط، والتحكم في الضغط، والمناولة، والتصفيح معًا، خاصة عند استخدام خلايا BC الرقيقة كبيرة الحجم. يمكن أن يصبح التشوه الصغير الذي يُترك دون تحكم في مرحلة التوصيل البيني مشكلة إنتاجية أو موثوقية في وقت لاحق من خط الإنتاج.